近年来,在“北极浮标计划”等国际项目的支持下,各国科学家在北极投放了大量的海洋浮标和海冰浮标,但监测低空大气参数和海冰下海水的其它参数依旧是一个无法克服的困难。随着飞行器在航拍领域的广泛应用,在极地考察中,我们也能频频见到它的身影,但由于飞行器续航能力有限,无法实现较长时间观测与数据采集的目标。因此,设计和研发一种能够利用自动化监测技术测量10米内不同高度的大气参数和海冰面积雪厚度、以及为小型飞行器进行充电的一体化浮标尤为重要。本课题设计一种极地浮标小型飞行器控制装置,浮标装置中内置充电设备,为小型飞行器进行充电,提高小型飞行器续航能力;浮标搭载的小型飞行器从浮标舱体中起飞,探测不同高度的大气温压、风速风向、海面温度等参数。当小型飞行器完成探测任务后,必须准确定点降落回浮标平台,利用浮标内部的蓄电池进行充电;伴随海冰漂移,浮标将产生一定程度上的晃动,因此,小型飞行器如何准确降落回晃动浮标成为难题。针对小型飞行器的准确降落问题,本文从图像处理的角度出发,将小型飞行器在晃动平台的降落问题由传统研究中“平面对平面”式的降落,转化为小型飞行器与浮标平台“点对点”式的精准降落。小型飞行器上搭载激光发射模块与微型图像采集处理系统,在小型飞行器降落前,激光发射模块将激光光束打在浮标降落平台内部,利用摄像头拍摄浮标降落平台内部图片,并对采集到的图像进行处理,进而提取光斑中心坐标,实现小型飞行器的准确定点降落。本文的主要研究工作如下:首先,本文对小型飞行器的工作原理与结构模型进行了分析与研究,对飞行器的飞行状态进行数学建模,为后续在MATLAB中PID控制器的飞行控制程序编写奠定了理论基础。其次,控制小型飞行器在浮标降落平台上方保持稳定悬停是机载摄像头拍摄到较为清晰图片的前提,也是保证图像处理结果精确度的前提。针对这一问题,本文设计了一种双闭环PID控制器,包括小型飞行器位置控制器与姿态控制器的设计,并在MATLAB中搭建仿真模型进行仿真,通过调节PID参数,进而得出小型飞行器四个旋翼转速的最佳整定参数。针对传统单一光斑边缘拟合与中心提取方法实时性低、光照度对光斑中心提取影响较大的问题,本文设计一种适用于北极极昼、极夜复杂环境下的浮标平台中心提取算法,进行仿真实验,统计程序运行时间,并将得到的中心坐标数据进行对比,进而验证所设计算法的有效性。最后,对极地浮标小型飞行器起降控制系统进行软硬件设计,以STM32F103C8T6为主控芯片,设计了系统的电源电路、飞行器控制系统的主控电路、电池电压采集电路、升压电路、稳压电路、电机驱动电路、陀螺仪数据采集电路、气压计定高电路以及通讯电路;软件编程包括浮标平台控制程序,小型飞行器控制程序、气压计定高程序,Open MV视觉处理程序,Open MV与小型飞行器通讯程序、光斑中心提取程序等。将控制算法、降落算法应用到所制作的小型飞行器样机上,进行了现场试飞实验,实验结果表明,飞行器可实现起飞、保持悬停、降落等动作。研究结果表明:本文所设计的控制器可有效控制小型飞行器保持稳定悬停,所设计的光斑中心提取算法提取精度较高,适用于极地极端环境。